Совершенствование литий-ионных батарей не теряет своей актуальности. Причиной тому является, прежде всего, ограниченная удельная емкость материала электрода. Кроме того, сообщалось о недостаточной безопасности литиевого электрода из-за образования литиевых дендритов, которые могут привести к пробою сепаратора. Оба этих фактора побуждают исследователей продолжать поиски альтернативных материалов электрода.
Коллективом исследователей из Стэнфордского университета был предложен выход из сложившейся ситуации. В качестве катода ученые использовали композит, состоящий из сульфида лития и мезапористого углерода, а в качестве электрода кремневые нанонити. Композит Li2S/мезапористый углерод представляет собой гексагонально распределенный массив нанотрубок (толщиной 7-8 нм), разделенные между собой порами (диаметром 3-4 нм), которые заполнены сульфидом лития (рис.1). Этот композиционный материал обладает куда лучшей кинетикой по сравнению с обычным Li2S, что объясняется его строением: сеть углеродных нанотрубок представляет собой проводящую сеть, обеспечивающих доступ к изолятору (Li2S ) в порах, вместе с тем, субмикронный размер частиц углерода уменьшает диффузионный пробег лития. Выбор нанонитей кремния был продиктован долговечностью, а также высокой удельной емкостью.
Для получения катода мезопористый углерод (CMK-3) был нагрет с серой до 155 0С, когда вязкость серы минимальна. После того, как под действием капиллярных сил поры в CMK-3 заполнились серой, она была обработана н-бутиллитием для образования сульфида лития. В свою очередь, кремниевые нанонити были получены ПЖК методом, используя силан в качестве прекурсора (рис.2).
Для исследования электрохимических свойств исследователями была собрана полуячейка, в котором в качестве катода использовался Li2S/CMK-3, а электрода – литиевая фольга. Разрядная емкость после первого разряда достигла 573 мАч/г, что составляет 50% от теоретически рассчитанного (в пересчете на полную массу сульфида).
Авторы статьи сравнили электрохимические свойства электрода Li2S/CMK-3 и Li2S с одинаковой массовой долей сульфида лития: ожидаемо обладая одинаковой формой электрохимической кривой, тем не менее, удельная емкость электрода Li2S/CMK-3 на порядок выше, что свидетельствует о существенно лучшей кинетике (рис.3).
